太空实验舱：科学研究的“制高点”

文/何昳頔

7 月24 日下午，问天实验舱由长征五号B运载火箭成功发射，在7 月25 日凌晨与空间站天和核心舱完成交会对接。追溯航天史，太空实验舱已经建设运行了数十年，人类克服了很多技术难题，甚至付出了生命代价，也收获了很多重要成果。展望未来，人类在太空实验舱中还可能获得哪些进展？太空实验舱又会呈现怎样的面貌呢？

建设运营惊险不少

拿今天的眼光来看，早期太空实验舱是在惊险和牺牲中开创新局面、推进太空科研事业的。

“天空实验室”被视为美国宇航局建设的第一个空间站，也是对太空实验舱的大胆尝试。它是在美国宇航局预算“收紧”的时期由土星5 号火箭的组件改造的，于1973 年5 月发射。当时航天专家乐观地认为，“天空实验室”存储能力强大，可以在宇宙中运行数十年之久，成为太空综合实验基地。

事实证明，所有人都低估了太空实验舱的技术风险。在发射升空仅63秒后，“天空实验室”的防护盾就直接掉落了。不久，电池系统脱落，“天空实验室”损失了大部分电源系统。整个舱段被高强度紫外线照射着，舱内温度超过50 摄氏度，可想而知航天员要面临多大的挑战。万幸美国飞船很快送去3 名航天员抢修，用遮阳帆挡住了阳光，修复了电池板，使美国首个太空实验舱“起死回生”。

▲ 美国“天空实验室”

更惨重的牺牲发生在航天史上首个空间站——苏联“礼炮1 号”。1971 年6 月6 日，联盟11 号飞船发射，次日与“礼炮1 号”成功对接，3名航天员进入太空实验舱。不幸的是，他们于6 月29 日返回途中，返回舱上平衡阀异常打开而失压，导致飞船进入大气层后瞬间解体，3 人牺牲。这次事故敲响了警钟，刺激了空间安全返回技术飞速发展。

随着空间站建设不断取得进展，太空实验舱交会对接空间站成为高难度挑战。两者交会对接往往采用多种方式，主要由太空实验舱自行变轨，地面指挥中心密切监控，空间站内的航天员必要时介入，手控交会对接。

▲ 苏联“礼炮1 号”

▲ 实验舱对接国际空间站

▲ 我国航天员在空间站内完成干细胞实验（来源：央视截屏）

▲ 国际空间站内开展太空采矿提取实验

▲ 国际空间站内开展辣椒种植实验

太空实验舱完成与空间站对接，往往不是“一次到位”。两者初步完成对接后，组合体有时需要大幅度调整角度，使太空实验舱充分展开太阳翼，进入全功率状态。等到组合体完成整体角度调整后，太空实验舱往往要在机械臂的辅助下转位，调整到合适的对接口，便于后续工作。在这期间，组合体仍需多次精确地调整姿态，航天员和地面指挥中心小心地协同配合，如履薄冰。尽管如此，国际空间站运营期间仍多次遭遇对接事故。

太空成果丰硕喜人

为什么要建设太空实验舱？因为太空微重力环境非常适合特殊的科学研究，而这种特别的环境在地球上难以长期稳定地实现。太空实验舱为大量科学发现提供了独特的机遇，不仅有助于人类探索更远的太空，还能造福人类。

干细胞被视为“未来医学的圣杯”。理论上，干细胞能够几乎无休止地再生并演化成各种细胞，还能确保器官具备自我修复能力。在胚胎或年轻的身体中，干细胞含量丰富，但随着年龄增长而失去活力。

在国际空间站上的实验发现，在失重环境中，来自人类心脏的干细胞提高了再生、存活和增殖能力。在中国空间站天和核心舱里，人体尿液中的肾上皮细胞在国际上首次通过基因重编程方式转化成生机勃勃的干细胞，又演变为心肌细胞。这对于研究人体健康、衰老与再生，追求长寿，治愈心脏病，提供了非常好的实验模型。

早年，科学家们在地球上生成了物质的第五种状态，被称为“玻色-爱因斯坦凝聚体”，其性质与固体、液体、气体、等离子体完全不同。这是荣获诺贝尔奖的物理学基础研究成果。2018 年，美国宇航局的冷原子实验室将原子降低到超冷温度，用地球上不可能的方式研究其性质，首次在空间轨道上生成了这种物质状态。据说，这项成果可能帮助人类进一步深入了解量子力学基本定律。

芯片是近年来的国际热点，但传统电子芯片性能已经逼近极限，利用生物力量的组织芯片研究方兴未艾。组织芯片由柔性塑料制成，有端口和管道，可为内部细胞提供营养和氧气，通过比拇指更小的微型设备驱动，有望实现人体器官的功能。

美国已发起“太空组织芯片计划”，在国际空间站微重力环境下研究模拟肺、肾、大脑、肠道等器官的芯片，更好地了解并改善人类健康，争取早日攻克某些“不治之症”。

展望未来多姿多彩

太空实验室仍有很大的改善空间，既包括实验内容的深度和广度，还涉及到未来形态、配置。

▲ 国际空间站内女航天员进行声学诊断实验

今年，我国将全面完成以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型的T 型天宫空间站建造，建成国家太空实验室，未来太空实验探索之路令人充满期待。

据公开资料显示，问天实验舱主要面向空间生命科学研究，配置了生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜，能够支持开展多种类植物、动物、微生物等在空间条件下的生长、发育、遗传、衰老等响应机理研究，以及密闭生态系统的实验研究，并通过可见光、荧光、显微成像等多种在线检测手段，支持分子、细胞、组织、器官等多层次生物实验研究，还支持开展不同重力条件下生物体生长机理的对比研究。

通过规划部署的13 个科学实验柜、舱外暴露实验平台及未来共轨飞行的巡天望远镜，科研人员可以在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等8 个学科领域、30 余个研究主题的数百项科学研究与应用项目。

▲ 空间冷原子钟工作示意图

据悉，计划于10 月发射的梦天实验舱主要面向微重力科学研究，配置了流体物理、材料科学、燃烧科学、基础物理及航天技术试验等多学科方向的实验柜，支持开展重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程、材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究。

另外，中国科研人员将建立世界上第一套由氢钟、铷钟、光钟组成的空间冷原子钟组，构成在太空中频率稳定度和准确度最高的时间频率系统，开展引力红移、精细结构常数测量等前沿科学研究。

随着商业航天发展如火如荼，国外规划的商业空间站也将设置太空实验舱，主要从事有较高经济价值的太空科研实验，涉及生物医药、特殊材料、新能源等领域。

未来太空实验舱的形态、配置会有什么变化？除了科研设施更完备外，人员在太空长期工作生活所需将是重要的考虑因素。一方面，太空太阳能发电站等能源供给设施有望取得进展，缓解能源困境，与太空实验舱里的研究项目相互促进。另一方面，随着太空环境精确控制能力进步，不排除人造重力部分实用化，使未来太空实验舱乃至空间站不同区域具备不同的重力条件，有助于人员更好地工作生活，太空实验也有望取得新环境下的新成果。

▲ 科幻作品畅想空间站大规模应用人造重力